TWI630058B - 相對於觀測系統定位數值控制工具機的工具之方法及其數值控制工具機 - Google Patents

Abstract

一種在數值控制工具機中將轉軸(2)上所組裝的工具(3)定位在觀測系統(7)的觀測範圍(20)內的方法，以便測量工具(3)，該方法包括：沿位移軸(Z)移動正在旋轉的轉軸(35)，使其從參考位置(Z0)朝向觀測範圍中所定義的目標位置(Zobj)；以及擷取該觀測範圍的多張影像。當擷取的影像(IM1)顯示工具的特定部位(13)(例如其尖端)已進入觀測範圍時(36)，控制轉軸停止其沿位移軸的運動。轉軸的止動被控制時(37)，擷取轉軸的瞬時位置(Z1)(38)並測量工具的尖端與目標位置間的距離(POS)(39)。根據前述的瞬時位置與距離計算出最後位置(Z2)(40)，並使轉軸位移至該最後位置(42)。

所述的方法還可包含一初步步驟(31)及/或細定位階段(44、45、46、42)，其中，轉軸及工具在初步步驟中為朝向觀測系統執行一位移量。

另外，本發明還提供一種設有控制單元(4、10)之工具機，以執行前述之定位方法。

Description

相對於觀測系統定位數值控制工具機的工具之方法及其 數值控制工具機

本發明係有關於一種工具的定位方法及相關的工具機，尤其是將工具機中安裝在轉軸上的工具定位在觀測系統的方法及實現此方法的工具機。

傳統的數值控制工具機包括一具有轉軸的機械結構及一電子控制單元，其中轉軸承載一工具，以加工物體並使其旋轉，電子控制單元則可精確地控制轉軸沿三個或更多位移軸的運動以及工具的旋轉速度。

工具機的工具需要被測量(亦包括其正在旋轉)，以判斷工具裝於轉軸上後的有效尺寸，或判斷其經過一段工作時間後的磨損。為此，工具機裝設有一自動測量系統，其可測量工具的尺寸，亦包括其正在旋轉時。

已知的自動偵測系統包括互相耦合的雷射源及光接收器，雷射源可發出雷射光束，光接收器則可偵測雷射光束被一物體遮擋。工具尺寸的偵測，例如針對標稱長度與工具長度間的差異，是由先將轉軸移動至一參考位置，然後將轉軸沿著橫截於雷射光束的方向朝向雷射光束移動來取得，其中雷射光束是站在距離參考位置的一已知距離。當工具的尖端遮擋住雷射光束，更具體地說，當尖端遮擋住雷射光束橫截面的一特定量，控制單元記錄轉軸相對於參考位置的新位置。根據已知距離與所記錄之新位置間的差異，便可估測工具的尺寸。

仰賴遮擋雷射光束之偵測系統，其缺點在於偵測的精確性，隨著工具尖端相較於雷射光束橫截面的直徑之尺寸及其形狀的不同，而有非常大的變化。此外，此類的偵測系統有可能將出現在工具尖端上的任何污泥(例如油滴)誤判為工具的一部份，故造成測量錯誤。

另一已知的自動偵測系統包括一觀測系統，即一光源以及一電荷耦合元件(CCD)照相機，其中光源提供一未聚焦光束，CCD照相機則擷取位於光源與照相機之間的物體之陰影輪廓的影像。此觀測系統可克服仰賴雷射光束之偵測系統的缺點，其觀測精確度平均，且可辨識工具尖端的污泥。當正在轉動的工具被放置於觀測範圍內時，便可執行偵測。為便確保工具正確地定位，轉軸可逐布前進，其中在每一個步驟，可由擷取的影像來即時確認尖端的位置。

然而，觀測系統的影像擷取時間相當長。實際上，擷取時間受限於相機的更新速率，這迫使工具的移動須選擇一非常慢的速度，否則觀測系統無法精確地為工具構圖。如此嚴重限制工具測量所需的最短時間。再者，當需要以高精確度將工具定位在觀測範圍內的一特定區域時，因提升精確度而更降低速度，或是需要反覆執行細定位的處理，故甚至需要更長的執行時間。

本發明之一目的在於提供一種能將數值控制工具機的工具快速定位在觀測系統的觀測範圍內的方法，此方法可克服先前技術所述的缺點，且實施簡單並便利。

本發明之另一目的在於提供一種可執行前述之定位方法的工具機。

根據本發明，提供一種於數值控制工具機中將組裝於轉軸上的工具定位在觀測系統的觀測範圍內的方法，以便測量工具，以及一種數值控制工具機，該方法與工具機其有如申請專利範圍所記載的特徵。

1‧‧‧工具機

2‧‧‧轉軸

3‧‧‧工具

4‧‧‧第一電子控制單元

5‧‧‧輸入端

6‧‧‧通訊介面

7‧‧‧觀測系統

8‧‧‧光源

9‧‧‧影像感測器

10‧‧‧第二電子控制單元

11‧‧‧輸出端

12‧‧‧通訊埠

13‧‧‧特定部位

20‧‧‧觀測範圍

2a‧‧‧旋轉軸

3a‧‧‧工具軸

Zobj‧‧‧目標位置

Z0‧‧‧參考位置

Z1‧‧‧瞬時位置

Z2‧‧‧第一最終位置

IM0‧‧‧初步影像

IM1‧‧‧擷取影像

IM2‧‧‧第一附加影像

POS‧‧‧第一距離

POS2‧‧‧第二距離

30~49‧‧‧定位方法步驟

X、Y、Z‧‧‧位移軸

第1圖繪示依據本發明一實施例之一執行定位方法的數值控制工具機的示意圖。

第2-5圖繪示第1圖的工具機之轉軸於定位方法中的四個步驟之示意圖。

第6圖繪示第5圖的局部放大圖，其中依據本發明另一較佳實施例設有另一定位階段。

第7圖繪示依據本發明一實施例之定位方法的流程圖。

參考第1圖，元件符號1為表示整體的數值控制工具機。數值控制工具機1包括一轉軸2及一第一電子控制單元4。轉軸2上設置有一工具3，第一電子控制單元4則實現工具機1的數值控制，以控制轉軸2的旋轉速度及沿至少一位移軸的運動。第一電子控制單元4典型地藉由致動器(圖未示)控制轉軸2沿著三個直角(笛卡耳(Cartesian))軸的運動。

轉軸2通常透過部份程式中的機械碼指令開始沿著位移軸運動，且可由一外部單元透過第一電子控制單元4的特定輸入端5(一般稱“跳躍輸入”)控制此運動停止。第一電子控制單元4亦用來記錄轉軸2沿著位移軸的位置，例如當輸入端5接收到一控制訊號時。此外，第一電子控制單元4包括一通訊介面6，例如乙太網路的通訊埠。

工具機1設有一觀測系統7，當工具機1維持轉軸2繞其旋轉軸2a旋轉的同時，觀測系統7可測量工具3的尺寸。尤其，觀測系統7包括一光源8及一影像感測器，其中影像感測器典型地為一照相機9。照相機9在一特定距離位於光源8的前方。當工具3透過轉軸2沿位移軸的運動而位於光源8與照相機9之間時，照相機9便可擷取工具3陰影輪廓的影像。光源8可產生一未聚焦的光束，照相機9例如為一數位電荷耦合元件(CCD)照相機。

照相機9具有一觀測範圍20，此觀測範圍20定義出工具 3的測量區域。要進行測量時，將工具3置放於照相機9的觀測範圍20內，擷取觀測範圍20的影像，再根據擷取的影像計算工具3的尺寸。

根據一實施例，觀測系統7包括一第二電子控制單元10，第二電子控制單元10與第一電子控制單元4連接，以傳輸控制訊號至第一電子控制單元4，並與第一電子控制單元4交換數據。依第1圖所示的實施例，第二電子控制單元10硬體上整合於一承載光源8與照相機9的框架中，然本發明不限於此，第二電子控制單元10亦可為一分開的單元。第二電子控制單元10包括一輸出端11及一通訊埠12，其中輸出端11可與第一電子控制單元4的輸入端5連接，通訊埠12則可與第一電子控制單元4的通訊介面6連接。電子控制單元4、10可被程式化以執行將工具3定位於觀測系統7的觀測範圍20中的方法，更具體地說，實現如以下配合第2至5圖所述的方法。

第2圖繪示轉軸2位於一初始位置或零點位置，而此時組裝於轉軸2上的工具3完全位於照相機9的觀測範圍20之外(照相機9並未繪示於第2至5圖中)。觀測範圍20包括例如第一側邊及第二側邊，其中第一側邊介於約0.3至0.5毫米(mm)，第二側邊則介於約0.2至0.4mm。圖中所示的工具3可定義出一縱向的工具軸3a。轉軸2鉗緊住工具3，使工具軸3a大體上與旋轉軸2a相重疊。在將工具機3定位於觀測範圍20內並隨後進行測量工具機3的過程中，轉軸2均持續地繞著旋轉軸2a旋轉。

根據一實施例，就工具3的一特定部位，特別是一尖端13，於觀測範圍20中定義出一目標位置。因觀測範圍20的中央部份通常能保證最佳效果，故如圖所示的目標位置為一垂直高度Zobj、並沿著Z軸方向位於觀測範圍20的中心。

第7圖繪示根據一較佳實施例的定位方法的步驟流程圖，其中亦包括一可額外選擇的細定位階段。流程圖中的每個步驟以方塊表示，每一個步驟的描述可參考以下說明。

當定位的步驟開始(即第7圖的方塊30)，於一初步步驟(方塊31)中，在轉軸2維持旋轉的同時，第一電子控制單元4控制 轉軸2沿Z軸從零點位置朝向觀測系統7進行一初步位移。初步位移的大小是取決於工具3沿著Z軸方向的尺寸L，其目的在於將工具3的尖端13置放於觀測範圍20內。工具3的尺寸L是預先估測好的，例如透過一校準程序，並將其儲存於工具機1的第一電子控制單元4。所述的估測可由一操作員手動執行，並儲存於第一電子控制單元4的適當表格中。此初步步驟結束時，轉軸2在垂直位移軸Z上位於一參考位置Z0，而此時工具3的特定部位，特別是工具3的尖端13，可能位於觀測範圍20內，或是尖端13通過觀測範圍20之後位於觀測範圍20的下方(參考圖中所示的排放)，或是當工具3的尺寸L被高估時，尖端13亦可位於觀測範圍20的上方(如第3圖所示)。在對應轉軸2的參考位置Z0，透過觀測系統7擷取觀測範圍20的一初步影像IM0(方塊32)，並執行判斷步驟(方塊33及34)，以確認上述三種情形之中何者實際發生。更具體地說，可判斷工具3的特定部位(即尖端13)是否位於觀測範圍20內，而若尖端13位於觀測範圍20的上方或下方，則產生一否定結果(即方塊33的輸出N)。

假設轉軸2位於參考位置Z0時為對應第3圖所示的情形，亦即工具3完全位於觀測範圍20外，更具體地說，位於觀測範圍20之上方(此情形由第二電子控制單元10透過擷取初步影像IM0來證實並偵測(即方塊34的輸出Y))。第一電子控制單元4可將轉軸2持續旋轉，並控制轉軸2持續地沿Z軸從參考位置Z0進行第一運動(方塊35)，使工具3的尖端13以一第一方向朝向目標位置Zobj移動。轉軸2進行第一運動的過程中，觀測系統7擷取觀測範圍20的影像。在第3圖所示的範例中，轉軸2持續進行的第一運動是垂直向下的運動。

一旦觀測系統7根據擷取影像偵測到工具3的尖端13已進入觀測範圍20(即方塊36的輸出Y)，則停止轉軸2沿著Z軸的第一運動，此情況顯示於第4圖。更具體地來說，第二電子控制單元10鑽研自照相機9一張張擷取的影像，以找出一擷取影像IM1，擷取影像IM1中可看見至少部份工具3(更具體工具3的尖端13)的陰影輸廓。換句話說，觀測系統7為採用所謂的工具3『外側/內側』的趨近方法 (“outside/inside”approach)。

當第二電子控制單元10偵測到擷取影像IM1(轉軸2為如第4圖所示的箭頭持續沿Z軸前進)時，第二電子控制單元10由輸出端11提供一停止控制訊號(方塊37)，並藉由傳送控制訊號至輸入端5，便可命令第一電子控制單元4停止轉軸2的運動，尤其停止轉軸2的前進運動。一旦輸入端5接收到停止控制訊號，第一電子控制單元4開始進行轉軸2的前進止動程序(方塊38)，且記錄轉軸2的一對應的瞬時位置Z1。特別的是，所記錄的瞬時位置Z1為第一電子控制單元4命令轉軸2沿Z軸停止運動時，正在旋轉的轉軸2所在的位置，即如前所述，第一電子控制單元4開始進行止動程序。

在這個階段，第二電子控制單元10根據擷取影像IM1測量介於尖端13的位置與目標位置Zobj之間的第一距離POS(方塊39)。第一電子控制單元4透過通訊介面6與通訊埠12的連接，要求第二電子控制單元10並從第二電子控制單元10取得第一距離POS的數值，並計算出轉軸2的第一最終位置Z2(方塊40)，其中第一最終位置Z2為等於轉軸2的瞬時位置Z1加上第一距離POS。假如尖端13並未越過目標位置Zobj(如第4圖所示)，第一距離POS為一正值。若尖端13越過目標位置Zobj，第一距離POS則為一負值。

當轉軸2沿著Z軸的前進運動確實停止後(方塊41的輸出Y)，工具3的尖端13可能位於觀測範圍20內或已經過並超越觀測範圍20，而第一電子控制單元4可控制轉軸2沿Z軸的移動，使轉軸2直接達到第一最終位置Z2(方塊42及第5圖)。如第5圖所示，由於轉軸2相對於瞬時位置Z1的位移量(即是尖端13的位移量)為第一距離POS，因此尖端13大體上移動至目標位置Zobj。

當轉軸2確實沿Z軸停止時，尖端13的真實位置可能並非擷取影像IM1所顯示的位置(參考第4圖)，可考慮的兩個理由如下：

第一，因觀測系統7以及電子控制單元4、10電路的特性所產生的延遲，影像IM1的擷取時間與瞬時位置Z1的記錄時間(即對應轉軸2的止動程序之開始)之間存有一消逝的期間△T1，且此期間 △T1相較於尖端13經觀測範圍20的移動時間是可變化、且不可忽略的。

第二，從第一電子控制單元4命令轉軸22停止前進的時間點到轉軸2真正停止的時間點之間，轉軸2為經過期間△T2沿著Z軸進行減速，其受某種變異影響。

有鑑於上述考慮的理由，根據本發明一較佳的實施例，除了上述主要的定位步驟以外，所述的方法還包括『細定位』(“fine positioning”)的可選擇階段(判斷方塊43的輸出Y表示需要細定位)。依據細定位的階段，當正在旋轉的轉軸2在Z軸上的位置固定於第一最終位置Z2(如第5圖所示)時，觀測系統7擷取觀測範圍20的一第一附加影像IM2(方塊44)。尤其，基於第一附加影像IM2，第一電子控制單元4透過通訊介面6與通訊埠12的連接，向第二電子控制單元10要求並從第二電子控制單元10取得沿Z軸上介於工具3的尖端13與目標位置Zobj間的第二距離POS2(方塊45)。第一電子控制單元4將第一最終位置Z2與第二距離POS2相加，以得到轉軸2的第二最終位置(方塊46)，且第一電子控制單元4控制轉軸2沿Z軸移動，從而使轉軸2直接到達第二最終位置(如同主要定位階段的方塊42)。於是，期間△T1、△T2所造成的最終定位誤差可被校正。

值得一提，第二距離POS2顯示於第6圖中，其中第6圖是第5圖的局部放大圖，尤其第6圖為繪示觀測範圍20的第一附加影像IM2之中心區域。由於額外的細定位階段與第一定位階段為實質上相同(參考第4圖與第5圖)，因此不需要額外的圖式顯示透過額外的細定位步驟所得到的第二最終位置。

如上所述，由於工具3沿Z軸的尺寸L可能被低估，因此當轉軸2沿Z軸的初步位移結束並位於第2圖的參考位置Z0時，工具3的特定部位，尤其其尖端13，可能位於觀測範圍20的下方(此為參考圖式的配置)(方塊34的輸出N)。藉由第二電子控制單元10擷取初步影像IM0並確認工具3中不同於尖端13的其它部位處於觀測範圍20中(方塊33、34)，便可偵測此情形的發生(圖中未示)。根據本發明一實施例所提供的定位方法，第一電子控制單元4在維持轉軸2旋轉 的同時，亦控制轉軸2從參考位置Z0沿Z軸進行連續的第一運動，使工具3的尖端13朝向目標位置Zobj的方向移動。因此，本實施例採用『內側/外側』的趨近方法，轉軸2的第一運動沿著相對於第一方向相反的第二方向進行，即往圖式的上方。第7圖的方塊47表示移動的方向是相反的。一旦觀測系統7根據擷取影像偵測到工具3的尖端13已進入觀測範圍20(方塊36)，則停止轉軸2沿著Z軸的第一運動(方塊35)，而後續的步驟與前述『外側/內側』趨近方法的步驟相同。

於上述的初步階段中，當轉軸2沿Z軸的初步位移結束並位於第2圖中的參考位置Z0時，若偵測到工具3的尖端13位於觀測範圍20內(即因工具3沿Z軸方向的尺寸L被正確地估計)(方塊33的輸出Y)，則轉軸2的第一運動之控制步驟、在運動過程中取得觀測範圍20的影像之步驟及其後續步驟及控制是非必要的，而僅需執行上述『細定位』的一個週期(方塊44、45、46及42)。

假如轉軸2沿Z軸的位移速度過快，因尖端13已經超出觀測範圍20，則可能發生包含工具3的尖端13之擷取影像IM1未被偵測。因此，第7圖的方塊48表示第一電子控制單元4控制一安全程序，以停止定位週期，並隨後使主軸2回到參考位置Z0，以便重新進行定位週期。

當根據本發明至此所述的方法進行工具3的定位，可透過觀測系統7執行確認工具3的尺寸及/或形狀的步驟，其本身是已知，在此不討論。第7圖的方塊49表示定位步驟的結束。

基於上述，當工具3沿不同位移軸(例如X軸或Y軸)運動並進入觀測範圍20，本發明的定位方法亦可適用。此時，其目標位置由沿X軸或Y軸的水平位置表示。

此外，本發明的定位方法可用於觀測系統7的觀測範圍20中具有不規則形狀且/或尺寸大致上大於觀測範圍20的旋轉工具，其旋轉軸超出於觀測範圍20。在這些實施例中，定位方法的目的在於移動轉軸2，以帶動工具的特定部位(通常其邊緣點)至對應到觀測範圍20中的目標位置。

由於步驟中僅需要處理少數的工具影像，上述定位工具的方法的主要優點在於高速定位。同時，本發明因可根據處於靜態的工具之尖端與觀測範圍的目標位置間的位移量(其由處理的影像直接計算出)校正轉軸的最終位置，使定位方法具有高精確度。當執行額外的細定位步驟，則以上所言更加真實。此外，工具機的工具尺寸可不必事先知道。

本發明不限於上述實施例，亦可由不同變化實施，例如電子控制單元4、10可被整合為單一單元或是互相交換運算。舉例來說，觀測系統7的第二電子控制單元10可向第一電子控制單元4要求並取得關於轉軸2的位置資料(Z0、Z1、Z2)，並加以處理距離POS、POS2的數值。

Claims (10)

1. 一種相對於觀測系統定位數值控制工具機的工具之方法，該方法包括：提供一數值控制工具機，其包括一轉軸和一工具，該工具設置於該轉軸上；提供一觀測系統，其具有一觀測範圍；定義該工具的一特定部位在該觀測範圍內的一目標位置；控制該轉軸沿至少一位移軸從一參考位置移動至該目標位置的一第一運動，同時該觀測系統擷取該觀測範圍的多張影像；當該觀測系統根據一擷取影像偵測到該工具的該特定部位進入該觀測範圍內時，控制該轉軸停止沿該位移軸的該第一運動；當該轉軸被控制停止時，擷取該轉軸的一瞬時位置；根據該擷取影像，沿該位移軸上測量該工具的該特定部位與該目標位置間的一第一距離，其中該工具的該特定部位可見於該擷取影像中；將該轉軸的該瞬時位置與該第一距離相加，以得到該轉軸的一第一最終位置；以及將該轉軸沿該位移軸移動至該第一最終位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，更包括以下步驟：當該轉軸在該第一最終位置處於靜態時，透過該觀測系統擷取該觀測範圍的一第一附加影像；根據該第一附加影像，沿該位移軸測量該工具的該特定部位與該目標位置間的一第二距離；將該第一最終位置與該第二距離相加，以得到該轉軸的一第二最終位置；以及將該轉軸沿該位移軸移動至該第二最終位置。
3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，更包括執行一初步階段，其包括以下步驟：沿該位移軸估計該工具的尺寸；驅動該轉軸沿該位移軸朝向該觀測系統移動一初步位移，其中，該初步位移為根據所估計的該工具尺寸而定；當該轉軸完成該初步位移後處於靜態時，透過該觀測系統擷取位於該參考位置的該觀測範圍的一初步影像；根據該初步影像判斷該工具的該特定部位是否位於該觀測範圍內；以及當判斷為否時，執行控制該轉軸的該第一運動。
4. 如申請專利範圍第3項所述的方法，其中該初步影像在該判斷步驟中顯示該工具為完全位於該觀測範圍之外時，則沿一第一方向控制該轉軸的該第一運動。
5. 如申請專利範圍第3項所述的方法，其中該初步影像在該判斷步驟中顯示該工具中不同於該特定部位的另一部位位於該觀測範圍內時，則沿一第二方向控制該轉軸的該第一運動。
6. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該工具機包括一第一電子控制單元，該觀測系統包括與該第一電子控制單元連接的一第二電子控制單元，該第一電子控制單元控制該轉軸沿該位移軸的運動及停止、並記錄該瞬時位置，該第二電子控制單元則測量該第一距離。
7. 如申請專利範圍第6項所述的方法，其中該第一電子控制單元計算出該第一最終位置。
8. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該觀測系統包括一光源及一位於該光源之前方且距離一特定距離之影像感測器，當該工具位於該光源與該影像感測器之間時，該影像感測器可擷取該工具的陰影輪廓之影像。
9. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中當該轉軸沿至少一位移軸移動的同時，該轉軸持續繞一旋轉軸轉動。
10. 一種數值控制工具機，包括：一轉軸，該轉軸上設有一工具；一第一電子控制單元，為控制該轉軸的旋轉速度以及該轉軸沿至少一位移軸的移動，並且記錄該轉軸沿該位移軸的位置；以及一觀測系統，用於測量該工具，其中，該觀測系統包括與該第一電子控制單元連接的一第二電子控制單元，該第一電子控制單元與該第二電子控制單元可執行申請專利範圍第1至9項中任一項所述的方法。